環境因素與云岡石窟第16至第20窟損壞關系的研究

摘要：文章研究了云岡石窟所處的地理位置，以及周邊生態環境對云岡石窟造成的破壞，重點闡述表面層風化、滲水、大氣污染物三方面因素對石質文物的破壞作用。研究結果表明，云岡石窟第16至第20窟的損壞，不僅包括自然風化作用，砂巖風化后會變成粉狀，風化產物中含有許多礦物鹽，而且水作為良好溶劑，溶解部分礦物質，導致礦物質之間相互發生化學反應，進而損壞石質文物。近年來，云岡石窟受大氣污染物的影響很大，其中的酸性氣體以及酸性氣體溶于雨水中形成的酸雨，對云岡石窟的侵蝕是導致其加速損壞的重要原因。

關鍵詞：云岡石窟；表面層風化；滲水因素；大氣污染物

第16至第20窟是云岡石窟最早開鑿的五個洞窟，通稱“曇曜五窟”[1]，距今已有近1600年的歷史。云岡石窟所處的地理位置及周圍環境的影響，加之早期對云岡石窟的保護不及時、不科學，人為破壞較多，使得石窟內許多洞窟損壞較為嚴重。另據史料記載，“曇曜五窟”在開鑿時就出現過坍塌，加之其暴露在自然環境中的時間最長，損壞也是較為嚴重的。

砂巖是云岡石窟所處環境主要的巖石類型，與其他巖石相比，砂巖較軟，易雕刻，也易風化。巖石在風化作用下生成的風化產物，與新鮮巖樣相比，風化產物含有許多氧化物，氧化物溶于雨水中形成的溶液比普通雨水的破壞力更強。在云岡石窟中，滲水也是破壞石質文物的重要因素之一。大同市作為煤炭之都，常年開采煤炭，而云岡石窟與很多礦區距離較近，因此，煤炭在開采和燃燒過程中排放的大氣污染物，對云岡石窟的雕像文物也會造成極大破壞。鑒于此，本文系統地對云岡石窟所處的地理位置及生態環境展開研究，分別從風化、降水及大氣污染三個方面闡述其對于文物的破壞作用，闡明其作用機制，為研究生態因素對石質雕像文物的破壞作用及機理奠定理論基礎。

一、國內研究進展及其意義

西方發達國家由于受到第一次工業革命以及建筑學迅速崛起的影響，其對于環境因素與石質文物的損壞及保護方面的研究比較成熟。其中，煤炭最早被用作第一次工業革命的主要燃料，煤炭的開采及燃燒過程會生成許多大氣污染物，這些污染物排入大氣后，會對許多暴露在自然環境中的文物表面造成一定的破壞。

1997年，黃繼忠等學者分析了云岡石窟景區內大氣粉塵中含有的無機和金屬離子，發現空氣中以含硫化合物為主，大氣污染嚴重[2]。2002年，大同市政府開始對云岡石窟周圍的生態環境進行整治，使污染情況得到了一定程度上的改善。2015年，趙磊等對云岡石窟內采集到的大氣顆粒物進行研究后發現SO2、NO2以及其他物質的含量，與前期相比明顯減少[3]。

二、云岡石窟文物及不同因素對其的損害

（一）表面層風化對石窟砂巖破壞作用的研究

1.風化形式

石窟砂巖風化，主要包括粉狀風化、片狀風化、洞穴狀風化及板狀風化[4]。粉狀風化是指佛像在受到風化后，會在表面生成一層粉末狀的風化產物，一般為白色，用手觸摸就會有粉末掉落下來。片狀風化是指佛像表面出現片狀剝落的情況，剝落的薄片厚度不均，經常會有層疊，還會有一定程度的卷翹，片與片之間還會伴隨白色粉末產生。洞穴狀風化是指佛像表面風化后會形成大小和深淺不一的洞穴，但不是所有的砂巖都有洞穴狀風化，此類型具有一定的差異性。板狀風化是指在窟內形成的近乎平行于窟壁的裂隙，隨著時間的推移會呈現板狀脫落。其中，粉狀風化與片狀風化這兩種形式較為普遍。

2.風化現狀

據調查，第16窟佛像食指前端已殘斷，佛像上半部保存完好，仍能清楚地觀察其形象特征，佛像下部和窟頂部分嚴重風化，原貌不清。云岡石窟第17窟為典型的彌勒佛，其北面的交腳式彌勒佛像臉部和手臂受到嚴重破壞。第18窟北壁東面的脅侍菩薩像，分別位于北面主佛東、西兩側，二脅侍菩薩由于年久失修，大部分已不復存在。第19窟西側洞壁已倒塌。20窟為單室洞，穹頂，其外部為木質結構，前壁、頂、西壁均已倒塌，因此窟內佛像暴露在外，一般都叫它“露天大佛”。

3.風化機制及影響因素

第16窟片狀風化較為嚴重，佛像的下部呈現薄片狀剝落，且多層重疊，剝落頁片出現卷翹或彎曲，粉狀風化形成的白色粉末也嵌于頁片間或浮于佛像表面。發生片狀風化的原因是水滲入云岡石窟砂巖中，生成多種水化物。如多種碳酸鹽和硫酸鹽，這些鹽類生成后會附著于裂縫表面。由于其質地比較堅硬，加之晝夜溫差導致頁片之間發生熱脹冷縮，而砂巖中各個物質的膨脹系數不一，產生的力不同便形成縫隙，長期作用使得文物表面發生片狀風化；或是水滲入后又自行蒸發，水分蒸發出來之后會將鹽類析出，鹽類逐漸聚集，使得砂巖中的縫隙被結晶鹽堵住，使之后的水只能順著石雕比較脆弱的地方流出，久而久之也會出現片狀風化。

由此可見，可溶性鹽也是導致石質文物風化的重要因素之一，同時風化因素不只是單方面作用，它一般與滲水因素相互作用，共同對石質文物造成破壞。

石窟下部多呈粉狀風化，在崖壁上覆蓋一層粉末狀的風化產物。這些粉狀物大多由各種類型的鹽組成，其成分大多是水化物，將這些風化產物與新鮮巖樣的化學成分進行對比（表1）[5]。

（二）降雨及滲水因素對文物侵蝕作用的研究

1.液態水來源

石窟整體地形呈東高西低的特點，這就導致地下水從東北向西南方向流動。窟區的地下水主要分為兩類，即孔隙水和裂縫水。石窟滲漏以裂縫水為主，石窟風化后會形成大小不等的縫隙，這些縫隙相當于蓄水區域，成為石窟地下水的來源。云岡石窟砂巖表面層的液態水可能存在四種來源：大氣降水滲入石窟裂縫、砂巖多余的孔隙水、地下水通過毛細上升，還有水汽發生凝結[6]。其中，大氣降水入滲是石窟內水的根本來源。尤其下雨后，潮濕的空氣進入溫度較低的洞窟內，就會在石雕表面凝結成水，而風化的石像表面形成多孔隙結構，凝結水極易被吸收，待空氣干燥后石雕又會將表面層已經吸收的水分蒸發出來，如此反復更會加快石雕的損壞[7]。部分石窟還分有前窟和后窟，由于后窟溫度更低，使得窟內返潮現象明顯，造成石雕表面脫落和龜裂。

總之，云岡石窟內石質文物的損壞很大程度上都與水的作用相關。

2.滲水現狀

云岡石窟位于山西大同，四季分明，屬大陸性季風半干旱氣候，主要表現為春天雨水較少，干旱，風多且大；夏天較熱，雨量較多，并且降雨時間較為集中，大部分在7—9月。目前云岡石窟共有45個洞穴，其中21個已滲漏[8]，云岡石窟西側就有13個滲水石窟。

3.水的作用機制

對于石質文物來說，水既是最普遍也是最嚴重的影響因素。水作為溶解性很強的無機溶劑，對任何形式的腐蝕因素都能起到一定的媒介作用。水可以溶解云岡石窟砂巖中的大多數礦物鹽，使一些較為穩定的化合物變成離子溶劑，從而使石窟雕像產生多種病害，包括顏色變淺、石雕破裂、石窟漏水以及巖石軟化等，同時水也能與空氣中的酸性氣體結合產生腐蝕雕像的酸性溶液。大氣中的氣體，主要是SO2與空氣中的O2在Fe2+作用下生成SO3，降雨時SO3與水結合形成硫酸，硫酸進而與砂巖中的鈣質膠結物發生反應，對石質文物造成很大的危害[9]。滲入巖石中的水會有凍融循環的現象，加劇風化裂隙變大，時間久了也會造成破壞作用[10]。因此從最根本上講，滲水會引起多種病害相繼發生，是最應該盡快解決的問題。

（三）大氣污染物對文物的影響

1.云岡石窟氣候環境背景

大同市位于華北地區，在黃土高原東北、大同盆地中心，屬溫帶大陸性氣候。當地最明顯的氣候特征是多風且干旱。大同市作為中國最大的煤炭資源基地，曾是一座以煤礦為主的工業城市。新中國成立以來，山西發現的煤礦越來越多，但由于開采、儲存、利用不當，云岡石窟附近109國道的交通量與日俱增，運煤車的數量和次數越來越多，空氣中的SO2、氮氧化物濃度也越來越高[11]。加之云岡石窟的風沙、運煤車的降塵、附近的工礦企業和民用燃煤等因素，使云岡石窟附近的自然環境變得越來越差，空氣中的微粒含量也越來越高。洞窟中的石像不可避免地受到灰塵的污染，大量的硫化物和氮化物沉積在云岡石窟的巖壁和文物的表面，給云岡石窟帶來了巨大的腐蝕和損害。

2.大氣污染物對石質文物的影響

研究表明，云岡石窟的主要污染物是由粉塵引起的，其中，38.92 %嚴重污染、42.79 %中度污染、18.28 %輕微污染[12]。在所有洞穴中，幾乎每一個可能留下的地方，塵埃都會出現，比如雕像的胸口、肩膀和大腿，還有一些平坦的地方。石像表面長期沾染大量的灰塵，顏色呈深灰色或灰黑色，輕輕一刮，露出的巖石表面就會出現一層灰黑色的硬殼。灰黑色的污垢滲透到巖層中，不僅掩蓋和模糊了雕像的藝術效果，還影響了泥沙下的砂巖的原有成分，導致文物結構松散，加速風化[13]。

（四）云岡石窟石質文物損壞現狀

受自然和人為因素影響，云岡石窟里的雕像已遭到一定程度的破壞和損毀。雖然歷史上曾進行過多次大規模維修，但由于早期對云岡石窟的保護不完善，加上自然環境因素的作用，文物仍在緩慢地損壞，尤其是受大氣污染的影響，云岡石窟文物風化加速[14]。大部分文物的巖體已發生剝落和形變，還有的洞窟內出現局部坍塌現象，雕像表面脫落，部分雕像表面已經出現紋飾模糊、粉化、剝落以及裂縫等。除了少數幾個洞窟中的雕像和壁畫還保持完好，其余洞窟都受到不同程度的風化和人為損壞，極大降低了石窟的藝術價值和觀賞價值。引起云岡石窟石質雕像文物損壞的原因多種多樣，且都不是孤立存在的，各種影響因素相互作用、相互促進，共同加速文物的破壞和消失。

三、對云岡石窟的保護建議

（一）風化管理

云岡石窟歷經1600多年的時間，洞穴崩塌使得很多巖石都處于危險之中，隨時都有可能崩塌。新中國成立后，石窟管理部門相繼采取化學灌漿、錨桿加固等一系列措施，使洞窟崩塌問題得到較好解決。對幾乎暴露在外部環境中的造像，可通過建造洞頂來阻止風沙和雨水的沖刷，并合理選用防侵蝕材料。考慮云岡石窟受日光影響，因此，選擇的保護試劑應具備抵御紫外線干擾等特點。

（二）防水保護

云岡石窟的主要風化是由于雨水及其入滲所致，云岡石窟的頂部有很多高低不平的洼地，容易產生積水，故應加強云岡石窟的防水保護。此外，還可以在壁畫和小洞窟上涂上防水材料，在涂布時，必須保證油漆本身不會干擾云岡石窟的色彩和外觀。在涂覆防護試劑時，可以選用硅膠作為原料。在洞外溫度、濕度變化較大的情況下，還應考慮增設通風措施。

（三）大氣環境治理

對云岡石窟周圍的環境狀況進行檢測，減少云岡石窟地區的大氣污染遺留問題，主要包括工廠排放廢氣時，SO2排放量必須達標；大型鍋爐設備要安裝脫硫器；大同作為煤炭之都，更要合理地開采和燃燒煤炭，減少居民燃燒原煤，盡快實現附近居民冬季集中供暖；云岡石窟附近煤礦企業應盡量使用潔凈的燃油，以防止燃煤電廠等排放造成的環境污染。

在日常預防性維護之外，也可以開展數字化保護，利用三維激光掃描、3D打印復制、VR影像展示等，為數字化研究、保護和開發提供一條新途徑。在實物保護基礎上，建立云岡數字博物館，并與高校、科研機構合作，對文物進行數字化處理，使修復工作更科學、更精細。

參考文獻：

[1]齊揚.云岡石窟砂巖文物表面污物激光清除機理及應用研究[D].中國地質大學，2015.

[2]黃繼忠，解廷藩，張莉.云岡石窟大氣粉塵中無機離子的分析[J].文物季刊，1997（03）：87-91.

[3]趙磊，耿紅，張潤平，等.云岡石窟大氣細顆粒物化學成分的單顆粒分析[J].環境科學與技術，2015，38（04）：138-143+182.

[4]任建光，黃繼忠，任志偉，等.云岡石窟鹽類析出物與石雕表面風化破壞形式的關系研究[J].文物保護與考古科學，2021，33（06）：47-51.

[5]鄧云，王金華.云岡石窟風化特征與風化產物研究[J].遺產與保護研究，2019，4（03）：1-5.

[6]董佩，王旭升，萬力，等.云岡石窟覆蓋層特征及其對石窟滲水的影響[J].科技導報，2013，31（10）：62-66.

[7]許飛.云岡石窟砂巖裂隙發育特征及其對水分聚散的影響[D].中國地質大學（北京），2013.

[8]牛春.云岡石窟第3窟保護設施（窟檐）建設設想[J].東方收藏，2023（11）：94-96.

[9]Liu Chenchen，Liu Yibiao，Ren Weizhong，et al．An adaptive prediction method for mechanical properties deterioration of sandstone under freeze·thaw cycles：a case study of Yungang Grottoes[J]．Heritage Science，2021-11-29．

[10]郝滋行.云岡石窟14號窟滲水病害評價與防治[D].沈陽建筑大學，2018.

[11]王穎紅.大氣污染物（SO2、NOx）影響云岡石窟風化的實驗室模擬研究[D].中國科學技術大學，2016.

[12]劉仁植，張秉堅，魏國鋒，等.云岡石窟的污染物病害調查研究[J].文物保護與考古科學，2016，28（02）：101-110.

[13]石美風.云岡石窟石雕表面黑垢的作用及其清除研究[D].復旦大學，2011.

[14]胡早，王俊斌.云岡石窟在以十倍速度風化[N].山西日報，2004-04-20.

作者簡介：

湛潤生（1979—），男，漢族，山西右玉人。碩士研究生，副教授，研究方向：生態環境學。

范錦榮（1993—），女，漢族，山西臨汾人。西北大學在讀碩士研究生，研究方向：生態環境學。